JPWO2007020820A1 - バックライトユニット、及び液晶表示装置 - Google Patents

バックライトユニット、及び液晶表示装置 Download PDF

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Abstract

導光体(9)の出射面(9a)に対向してレンズ付きのプリズムシート(光路変更部及び集光部)(10)を配置するとともに、出射面(9a)に対し所定の傾斜角度にて傾けられる複数の第2のプリズム傾斜面(傾斜面)(10b)を設ける。さらに、第2のプリズム傾斜面(10b)に応じて、当該第2のプリズム傾斜面(10b)からの光を出射面(9a)の法線方向に集光するレンズ面(集光面)(10d)を設置し、かつ導光体(9)の伝搬方向Pでのレンズ面(10d)の中心位置と対応する第2のプリズム傾斜面(10b)の中心位置を一致させる。

Description

本発明は、バックライトユニット及びこれを用いた液晶表示装置に関する。
液晶表示装置では、液晶層への印加電圧に応じて当該液晶層の光学的異方性を変化させることにより、光透過率を変化させて、文字や画像等の情報の表示が行われる。このような液晶表示装置では、表示に利用される、液晶層への入射光に応じて、透過型、反射型、及び半透過型の主に3つのタイプに分類される。
すなわち、透過型液晶表示装置では、液晶層が設けられた液晶表示素子の裏面(非表示面)側にバックライトユニットが配置されており、そのバックライトユニットからの光が液晶表示素子を透過することで表示情報がユーザーに視認される。また、反射型液晶表示装置では、前面からの入射光が液晶表示素子によって反射されることにより、表示情報がユーザーに視認される。
また、半透過型液晶表示装置は、その使用環境に応じて透過型または反射型のいずれかの液晶表示装置と同様に機能するようになっている。具体的には、半透過型液晶表示装置は、外部から入射する光が強い環境下では反射型液晶表示装置と同様に、その外部光を反射することで表示が行われる。一方、外部から入射する光が弱い環境下では、液晶表示素子の裏面側に付設されたバックライトユニットが点灯されて、透過型液晶表示装置と同様に、当該ユニットからの光を用いて表示が行われる。さらに、半透過型液晶表示装置には、外部からの入射光の強さに関わらず、透過型モード及び反射型モードの2つのモードで同時に表示を行わせるものもある。
また、従来の液晶表示装置には、鋸歯状に形成されたプリズム面を有するプリズムシートをバックライトユニットに設けたものが提案されている(例えば、特開平11−224058号公報参照。)。
ここで、上記特開平11−224058号公報に記載されている第1の従来例に設けられたバックライトユニットについて、図11を用いて具体的に説明する。
図11(a)に示すように、バックライトユニット100は、平面状の光(以下、“面状光”という。)を発光する面光源装置101と、面光源装置101に対して図の上側及び下側にそれぞれ設けられたプリズムシート104及び反射板105を備えており、プリズムシート104を介して液晶表示素子(図示せず)に面状光を入射させるようになっている。
面光源装置101には、光を出射する光源102と、光源102を囲むように設けられた反射部材102aと、光源102から出射された光が導入されるとともに、その導入された光を所定の伝搬方向(図11(a)に矢印S1にて図示)に導く断面楔形状の導光体103とが設けられている。反射部材102aは、光源102から出射された光を導光体103に向けて反射することにより、光源102からの光を導光体103に効率よく入射させる。
導光体103は、図11(b)も参照して、プリズムシート104側に面状光を出射する出射面103aと、反射板105に対向配置されるとともに、出射面103aに対して所定の傾斜角度K1にて傾けられた傾斜面103bと、光源102からの光が導入される導入面103cとを具備している。そして、この導光体103では、導入面103cから内部に導入された光源102の光は出射面103aと傾斜面103bまたは反射板105との間で反射を繰り返しながら上記伝搬方向S1に導かれつつ、出射面103aから適宜プリズムシート104に向かって出射される。
プリズムシート104には、導光体103の出射面103aに対向配置されるとともに、鋸歯状に形成されたプリズム面が設けられている。このプリズム面は、交互に配置された第1及び第2のプリズム傾斜面104a、104bを備えており、これらのプリズム傾斜面104a、104bの境界には稜線104cが形成されている(図11(c)も参照。)。また、プリズムシート104では、図11(c)に示すように、第1及び第2のプリズム傾斜面104a、104bの間の頂角はK2に設定されている。
上記のように構成されたバックライトユニット100では、光源102からの光は導光体103の内部を伝搬方向S1に伝搬される。具体的にいえば、導光体103の内部に導入された光源102からの光が、出射面103aと空気との界面に対して、所定の入射角(全反射角)より小さな入射角で入射すると、図11(a)に実線及び点線の矢印で示すように、光の一部は上記界面において屈折してプリズムシート104側に出射され、残りの光は当該界面において導光体103内部側に反射される。また、上記界面に対し全反射角以上の入射角で入射した光は、その入射した全ての光が当該界面にて導光体103内部側に反射される。
また、上記界面でプリズムシート104側に出射された光は、そのプリズムシート104のプリズム面に入射して、図11(c)に実線及び点線の矢印で示すように、第2のプリズム傾斜面104bで上方側に反射され、上記液晶表示素子への入射光として当該プリズムシート104から出射される。
一方、出射面103aと空気との上記界面で導光体103の内部側に反射された光は、図11(a)に点線の矢印で示すように、導光体103内部を傾斜面103bに向かって進行する。そして、傾斜面103bと空気との界面で屈折された光は、導光体103の外部に出射された後、反射板105によって導光板103側に反射される。さらには、この光は傾斜面103bを経て導光体103の内部に再び入射された後、出射面103aからプリズムシート104側に出射され、図11(c)に実線及び点線の矢印で示したように当該プリズムシート104から上記入射光として出射される。
以上のように、第1の従来例のバックライトユニット100では、導光体103の傾斜面103bから一旦外部に出射された光を反射板105にて導光体103側に反射することにより、当該外部に出射された光を表示のために用いることができ、光源102からの光の利用効率を高めていた。また、バックライトユニット100では、プリズムシート104を介在させることにより、上記液晶表示素子に対し指向性の高い光を出射可能とされていた。
また、別の従来のバックライトユニットには、鋸歯状のプリズム面に設けられた複数の各プリズムと対向する位置に、液晶表示素子への出射光を集光するレンズを設けたものが提案されている(例えば、特開平10−12024号公報参照。)。
ここで、図12を参照して、上記特開平10−12024号公報に記載されている第2の従来例のバックライトユニットについて具体的に説明する。
図12(a)において、バックライトユニット200には、面状光を発光する面光源装置201と、面光源装置201からの光を集光して外部に出射するレンズが形成されたプリズムシート204とが設けられており、バックライトユニット200は、プリズムシート204を介して図示を省略した液晶表示素子に面状光を入射させるようになっている。
面光源装置201には、光を出射する光源202と、光源202を囲むように設けられた反射部材202aと、光源202から出射された光が導入されるとともに、その導入された光を所定の伝搬方向(図12(a)に矢印S2にて図示)に導く断面矩形状の導光体203とが設けられている。反射部材202aは、光源202から出射された光を導光体203に向けて反射することにより、光源202からの光を導光体203に効率よく入射させる。
導光体203は、図12(b)も参照して、プリズムシート204側に光源202からの光を出射する出射面203aと、この出射面203aに平行に形成された非出射面203bと、光源202からの光が導入される導入面203cとを備えている。出射面203aには、鋸歯状のプリズム面が形成されている。すなわち、出射面203aには、当該出射面203aに対して所定の傾斜角度K3で形成された第1の傾斜面203dと、この傾斜面203dとともに断面二等辺三角形状のプリズムを構成する第2の傾斜面203eが設けられており、複数の上記プリズムが伝搬方向S2に沿って配設されている。そして、この導光体203では、導入面203cから内部に導入された光源202の光は出射面203aと非出射面203bとの間で反射を繰り返しながら上記伝搬方向S2に導かれつつ、出射面203aから適宜プリズムシート204に向かって出射される。
プリズムシート204は、導光体203の出射面203aに対向して配置されるとともに、複数のプリズムによって鋸歯状に形成されたプリズム面と、このプリズム面の導光体203とは反対側に形成されて、上記液晶表示素子に対向配置される複数のレンズとを備えている。プリズム面の各プリズムは、図12(c)も参照して、交互に配置された第1及び第2のプリズム傾斜面204a、204bを備えており、これらプリズム傾斜面204a、204bの境界には稜線204cが形成されている。また、プリズムシート204では、図12(c)に示すように、第1及び第2のプリズム傾斜面204a、204bの間の頂角はK5に設定されている。
また、プリズムシート204では、プリズム傾斜面204a、204bで規定される断面二等辺三角形状の上記プリズムに対向する位置に、外部側に突出した断面半円状のレンズ面204dが形成されている。各レンズ面204dでは、一端側及び他端側がそれぞれプリズム傾斜面204a、204bの上端側に連続的に形成されており、各レンズ面204dの上記伝搬方向S2での寸法がプリズムの同伝搬方向S2での寸法と同一に構成されている。つまり、プリズムシート204では、伝搬方向S2に沿って配列された複数のプリズム毎に、上記複数の各レンズに含まれたレンズ面204dが設けられており、プリズムで反射された光を集光して、液晶表示素子側に光を出射するようになっている。
上記のように構成されたバックライトユニット200では、光源202からの光は導光体203の内部を伝搬方向S2に伝搬される。具体的にいえば、導光体203の内部に導入された光源202からの光が、出射面203aと空気との界面に、図12(b)にK4にて示す全反射角以上の入射角で入射すると、その光は同図12(b)に実線の矢印で示すように、導光体203の内部側に全反射され、伝搬方向S2に進行するようになっている。
一方、図12(b)に点線の矢印で示すように、光が出射面203aに設けられた第2の傾斜面203eに入射すると、その光は当該傾斜面203eで屈折して導光体203の外部に出射される。その後、この導光体203の外部に出射された光は、図12(a)に実線の矢印で示すように、プリズムシート204に入射し、その第2のプリズム傾斜面204bで上方側に反射された後、レンズ面204dで略垂直方向に屈折されて、上記液晶表示素子に入射される。
以上のように、第2の従来例のバックライトユニット200では、プリズムシート204に設けた複数の各レンズ面204dにて集光することにより、液晶表示素子への出射光の指向性を向上可能としていた。
しかしながら、上記のような従来のバックライトユニットでは、その出射光の指向性を向上させることができずに、液晶表示装置の高輝度化を行い難いことがあった。
具体的にいえば、上記第1の従来例のバックライトユニット100では、光源102から導光体103に入射した光を出射面103aの法線方向に立ち上げて当該出射面103aから効率よく出射させるためには、図11(b)にK1で示した傾斜面103bの傾斜角度を大きくする必要がある。このように、傾斜角度K1を大きくすると、出射面103aから外部に出射される光の角度幅(図11(b)に実線の矢印と点線の矢印との間の角度差)も大きくなる。すなわち、導光体103からプリズムシート104に入射される光の入射角の角度幅も大きくなり、上記法線方向に対して傾いた角度で第2のプリズム傾斜面104bから液晶表示素子側に出射される光量が増加して、プリズムシート104(バックライトユニット100)からの出射光の指向性が低下する。この結果、液晶表示素子に対して垂直方向に入射される光量が少なくなり、当該液晶表示素子への出射光の半値輝度角が大きくなって、液晶表示装置の(正面)輝度が低下した。
一方、傾斜面103bの傾斜角度K1を小さくしてプリズムシート104での指向性の向上を図った場合には、出射面103aから出射される面状光の光量が低下、つまり出射面103aでの光の面射出効率が低下した。この結果、光源102の光利用効率が低下し、結局のところ液晶表示装置の輝度低下を招いた。
また、第2の従来例のバックライトユニット200では、レンズ面204dと、第1及び第2のプリズム傾斜面204a、204bで規定されるプリズムとが上記伝搬方向S2での寸法が同一に構成されていた。このため、プリズム側からレンズ面204dに光を主に進行させる上記第2のプリズム傾斜面204bがレンズ面204dに比べて小さいものとなり、当該レンズ面204dでの集光効果を向上させるのが困難であった。それ故、プリズムシート204(バックライトユニット200)からの出射光の指向性を向上させることも難しくなり、液晶表示装置の高輝度化を図るのが容易でなかった。ことに、プリズムシート204の光源202に近い部分では、上記第1の従来例のバックライトユニット100と同様に、第2のプリズム傾斜面204bに大きい角度幅で光が入射され易く、レンズ面204dは出射面203aの法線方向に光を集光することできずに、バックライトユニット200からの出射光の指向性が著しく低下することがあった。
特に、上記のような従来のバックライトユニットを半透過型液晶表示装置に適用した場合、当該液晶表示装置の高輝度化を行うのが極めて困難なことがあった。詳細にいえば、半透過型液晶表示装置では、一般的に、液晶表示素子の入射面側に、複数の反射電極が導光体での光の伝搬方向で所定間隔をおいて設けられている。そして、半透過型液晶表示装置では、透過型のものと同様に、バックライトユニットからの出射光を利用するときには、上記伝搬方向で隣接する反射電極の間に形成された透過開口部に当該出射光を透過させる必要がある。それ故、半透過型液晶表示装置では、指向性の高い出射光をバックライトユニットから液晶表示素子に入射させることが要求される。ところが、上記のような従来のバックライトユニットでは、出射光の指向性が低いため、上記透過開口部を透過する光量を増やすことができずに、半透過型液晶表示装置の輝度を高めることが非常に難しかった。
上記の課題に鑑み、本発明は、出射光の指向性を向上させることができ、高輝度化を容易に図ることができるバックライトユニット及びこれを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明にかかるバックライトユニットは、光源と、
前記光源の光が導入される導入面と、前記導入面から導入された光を出射する出射面とを有し、前記導入面から導入された光を所定の伝搬方向に導きつつ、前記出射面から光を出射する導光体と、
前記出射面に対し所定の傾斜角度にて傾けられる複数の傾斜面を有するとともに、前記出射面から出射された光が前記出射面の概ね法線方向に沿って進行するように、前記複数の各傾斜面によって当該光の光路を変更する光路変更部と、
前記複数の傾斜面毎に設置され、かつ対応する前記傾斜面からの光を前記出射面の法線方向に集光する複数の集光面が設けられた集光部を備え、
前記複数の集光面の前記伝搬方向での各中心位置が、対応する前記傾斜面の前記伝搬方向での中心位置と略一致していることを特徴とするものである。
上記のように構成されたバックライトユニットでは、光路変更部に設けられた複数の各傾斜面が導光体の出射面から出射された光源からの光の光路を当該光が出射面の概ね法線方向に沿って進行するように変更している。また、集光部には、複数の集光面が上記複数の傾斜面に応じてそれぞれ設置されており、各集光面では、対応する傾斜面からの光を上記法線方向に集光している。さらに、各集光面では、導光体の伝搬方向での中心位置が対応する傾斜面での同伝搬方向での中心位置に略一致しているので、各集光面は、上記第2の従来例と異なり、上記法線方向に光を確実に揃えて出射することができる。この結果、出射光の指向性を向上させることができ、高輝度化を容易に図ることができる。
また、上記バックライトユニットにおいて、前記光源が点状光源を用いて構成されるとともに、
前記光路変更部に含まれた複数の傾斜面及び前記集光部に含まれた複数の集光面が、前記点状光源を中心とする円弧状に設けられてもよい。
この場合、上記複数の傾斜面及び複数の集光面が各々点状光源を中心とする円弧状に設けられているので、バックライトユニットのコンパクト化を図りつつ、光源の光利用効率を向上させることができる。
また、上記バックライトユニットにおいて、前記光路変更部は、一面を前記傾斜面に用いたプリズムを複数配設したプリズムシートにより構成されていることが好ましい。
この場合、複数の傾斜面を一体的に設けた光路変更部を容易に得ることができるとともに、バックライトユニット内への組込作業を簡単化することができる。
また、上記バックライトユニットにおいて、前記複数の各集光面は、外部側に突出した断面半円状のレンズ面によって構成されてもよい。
この場合、集光プリズムのプリズム面などを用いて集光面を構成する場合に比べて、集光部の構成を簡略化することができる。さらに、断面半円状のレンズ面を用いているので、光源からの光の利用効率が低下するのを防ぎつつ、出射光の指向性を容易に向上させることができる。
また、上記バックライトユニットにおいて、前記光路変更部と前記集光部とが、一体的に形成されていることが好ましい。
この場合、光路変更部と集光部とを同時にバックライトユニット内に組み込むことができ、当該バックライトユニットの組立作業の簡単化を容易に図ることができる。また、光路変更部と集光部とが一体的に形成されているので、上記傾斜面及び集光面の各中心位置を互いに一致させる作業を省略することができ、これらの傾斜面及び集光面の位置調整を行うことなく、一体化された光路変更部及び集光部をバックライトユニット内に容易に取り付けることができる。
また、本発明の液晶表示装置は、液晶表示素子を備えた液晶表示装置であって、
前記液晶表示素子に対して、上記いずれかのバックライトユニットからの光を入射させることを特徴とするものである。
上記のように構成された液晶表示装置では、指向性を向上させたバックライトユニットからの光を液晶表示素子に入射させているので、当該液晶表示装置の高輝度化を容易に図ることができる。
また、上記液晶表示装置において、前記導光体と前記液晶表示素子との間には、前記導光体の伝搬方向に対して、透過軸が概ね一致するように、偏光板が設置されていることが好ましい。
この場合、偏光板での光吸収(ロス)の発生を極力防止することが可能となり、高輝度な液晶表示装置をより容易に構成することができる。
本発明によれば、出射光の指向性を向上させることができ、高輝度化を容易に図ることができるバックライトユニット及びこれを用いた液晶表示装置を提供することが可能となる。
本発明の第1の実施形態にかかるバックライトユニット及び液晶表示装置の要部構成を説明する図である。 図1に示した導光体の出射面での光の反射及び屈折を説明する図である。 上記導光体の部分拡大図である。 図1に示したバックライトユニットの要部構成を説明する図であり、(a)は平面図であり、(b)は(a)のIVb−IVb線断面図であり、(c)は(b)のIVc−IVc線断面図である。 図1に示したプリズムシートの部分拡大図である。 図1に示したマイクロレンズアレイの配置を説明する図である。 比較品の構成を説明する図である。 比較試験の結果例を示すグラフである。 比較試験の別の結果例を示すグラフである。 (a)は本発明の第2の実施形態にかかるバックライトユニット及び液晶表示装置の要部構成を説明する図であり、(b)は(a)に示したバックライトユニットの平面図である。 第1の従来例のバックライトユニットを説明する図であり、(a)は側面図であり、(b)はその導光体の部分拡大図であり、(c)はそのプリズムシートの部分拡大図である。 第2の従来例のバックライトユニットを説明する図であり、(a)は側面図であり、(b)はその導光体の部分拡大図であり、(c)はそのプリズムシートの部分拡大図である。
以下、本発明のバックライトユニット及び液晶表示装置の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、本発明を半透過型液晶表示装置に適用した場合を例示して説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態にかかるバックライトユニット及び液晶表示装置の要部構成を説明する図である。図において、本実施形態の液晶表示装置1には、本発明のバックライトユニット2と、一対の偏光板3、4と、マイクロレンズアレイ5と、液晶表示素子(液晶パネル)6とを備えており、バックライトユニット2からの出射光が液晶表示素子2に照明光として入射されるように構成されている。一方の偏光板3は、バックライトユニット2の上方で液晶表示素子6の下側に設置されたマイクロレンズアレイ5との間に配置されている。また、他方の偏光板4は、液晶表示素子6の上側(表示面側)に設置されている。
バックライトユニット2には、平面状の光(以下、″面状光″という。)を発光する面光源装置7と、面光源装置7に対して図の上側及び下側にそれぞれ設けられたレンズ付きのプリズムシート10及び反射板11を備えており、プリズムシート10及び偏光板3を介して液晶表示素子6に面状光を入射させるようになっている。また、偏光板3では、その(偏光)透過軸が後述の伝搬方向Pと一致するように設けられており、液晶表示素子6の表示面をより容易に高輝度化することが可能となっている(詳細は後述。)。
面光源装置7には、光を発光して出射する光源8と、光源8を囲むように設けられた反射部材8aと、光源8から出射された光が導入されるとともに、その導入された光を所定の伝搬方向(図1に矢印Pにて示す図の左右方向)に導く導光体9とが設けられている。光源8は、例えば図1の紙面に垂直な方向に配置された冷陰極管を用いたものであり、線状光源によって構成されている。反射部材8aは、光源8から出射された光を導光体9に向けて反射することにより、光源8からの光を導光体9に効率よく入射させる。
導光体9は、プリズムシート10側に面状光を出射する平行な出射面9aと、反射板11に対向配置されるとともに、出射面9aに対して傾けられた傾斜部が複数形成された傾斜面9bと、光源8に対向配置され、光源8からの光が導入される導入面9cとを具備している。出射面9aでは、導入面9cから導入された光源8の光が当該出射面9aと空気との界面に、図2にRにて示す所定の全反射角以上の入射角で入射すると、その光は同図2に実線の矢印で示すように、導光体9の内部側に全反射され、伝搬方向Pに進行するようになっている。一方、図2に点線の矢印で示すように、光が上記全反射角R未満の入射角で上記界面に入射すると、その光の一部は導光体9の内部側に反射され、残りの光は出射面9aから外部に出射される。
傾斜面9bには、図3に示すように、出射面9aに対する傾斜角度がαに設定された上記傾斜部が伝搬方向Pで複数配設されている。この傾斜角度αは、0°より大きく90°未満の値に設定されている。具体的には、傾斜面9bの傾斜角度αには、導光体9の出射面9aからの面状光の出射効率を向上させるために、例えば12°の値が選定されている。また、このように、傾斜角度αを12°とすることにより、図3にα’にて示す出射面9aから出射される出射光角は、12°前後の幅を持つことになる。そして、この導光体9では、導入面9cから内部に導入された光源8の光は出射面9aと傾斜面9bまたは反射板11との間で反射を繰り返しながら上記伝搬方向Pに導かれつつ、出射面9aから適宜プリズムシート10に向かって出射される。
レンズ付きのプリズムシート10は、出射面9aから出射された光源8の光が出射面9aの概ね法線方向に沿って進行するように当該光の光路を変更する光路変更部と、この光路変更部によって光路が変更された光源8の光を上記法線方向に集光する集光部とを一体的に形成したものである。
具体的にいえば、プリズムシート10には、図4も参照して、導光体9の出射面9aに対向して配置されるとともに、複数(例えば、9個)のプリズムによって鋸歯状に形成された上記光路変更部としてのプリズム面と、このプリズム面の導光体9とは反対側に形成されて、液晶表示素子6に対向配置される上記集光部としての複数(例えば、8個)のレンズとを備えている。プリズム面の各プリズムは、例えば断面二等辺三角形状に形成されており、交互に配置された第1及び第2のプリズム傾斜面10a、10bを具備している。
また、プリズムシート10では、第1及び第2のプリズム傾斜面10a、10bの間の頂角はθ(例えば、62°)に設定されている(図5も参照。)。さらに、プリズムシート10では、第1及び第2のプリズム傾斜面10a、10bのうち、第2のプリズム傾斜面10bが上記光路変更部に形成された複数の各傾斜面を構成するものであり、後に詳述するように、光源8の光を反射することにより、その光路を実質的に変更するようになっている。また、この第2のプリズム傾斜面10bの導光体9の出射面9aに対する傾斜角度は、例えば59°(=(180°−62°)/2)に設定されており、当該プリズム傾斜面10bが上記光の光路変更に寄与する傾斜面として適切に、かつ十分に機能するように構成されている。
また、プリズムシート10では、第1及び第2のプリズム傾斜面10a、10bの境界に、稜線10cが形成されている。この稜線10cは、図4(a)に点線にて示すように、上記伝搬方向Pと交差、好ましくは直交するように構成されており、隣接する2つの稜線10cの間隔寸法(すなわち、上記プリズムのピッチ寸法)は、例えば30μmに設定されている。
また、プリズムシート10では、上記プリズム面に対向する液晶表示素子6側の表面に、外部側に突出した断面半円状のレンズ面10dが第2のプリズム傾斜面10bに応じて形成されている。つまり、プリズムシート10は、その全体形状が透明な合成樹脂(例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、エポキシ樹脂等)により一体成形されたものであり、断面矩形状の基部10eを有している。また、プリズムシート10では、基部10eの下方側に第1及び第2のプリズム傾斜面10a、10bで規定される断面二等辺三角形状の上記プリズムが設けられている。一方、基部10eの上方側には、上記集光部に含まれた集光面としてのレンズ面10dがプリズムの稜線10cの配列ピッチと同じピッチ(例えば、30μm)で設けられている。
また、プリズムシート10では、図5に示すように、各レンズ面10dの上記伝搬方向Pでの中心位置C2が、対応する第2のプリズム傾斜面10bの伝搬方向Pでの中心位置C1と一致するように設けられている。つまり、プリズムシート10では、レンズ面10dと第2のプリズム傾斜面10bとの各中心位置C2、C1を導光体9の法線方向で互いに合致させており、プリズムシート10では、レンズ面10dでの集光効果が高められている。これにより、プリズムシート10では、図5に実線及び点線の矢印にて示すように、各レンズ面10dが対応する第2のプリズム傾斜面10bで反射された光を上記法線方向に平行な平行光に確実に集光して、偏光板3を介して液晶表示素子6側に出射することができる。また、偏光板3では、その透過軸が導光体9の伝搬方向Pと一致するように設けられているので、プリズムシート10からの上記平行光は偏光板3にて殆ど吸収されることなく、液晶表示素子6側に出射される。これにより、偏光板3での光吸収(ロス)の発生が極力防がれて、液晶表示素子6の表示面の高輝度化をより容易に行うことができる。
尚、上記の説明では、プリズムシート10において、図1に示したように、プリズムの設置数をレンズの設置数よりも1個多くした場合について説明したが、図1での右端のプリズムの設置を省略してもよい。つまり、この右端のプリズムの第2のプリズム傾斜面10bで液晶表示素子6側に反射された光は、液晶表示素子6の有効表示領域に入射されず、当該液晶表示素子6での表示に寄与しないからである。
また、各レンズ面10dの曲率半径は、例えば25μmに設定されており、基部10eの厚さ寸法fは、例えば30μmに定められている。また、この基部10eの厚さ寸法fは、導光体9の傾斜面9bでの傾斜角度α、上記プリズムの頂角θ(第2のプリズム傾斜面10bの出射面9aに対する傾斜角度)、及びレンズ面10dの曲率半径などに応じて、例えば20〜40μm程度の範囲内で適宜選定されるようになっている。また、このような範囲内の厚さ寸法fを有する基部10eを設けることにより、レンズ面10dが第2のプリズム傾斜面10bで色々な角度に反射された光を上記平行光に容易に揃えて出射することができる。
図1に戻って、反射板11には、導光体9の傾斜面9bに対向する表面側に、誘電体または金属により構成された反射膜が設けられており、傾斜面9bから導光体9の外側に出射された光を導光体9側に反射する。これにより、導光体9の外部に一旦射出された光を再度導光体9の内部に入射させることができ、光源8の光利用効率を向上できるようになっている。
液晶表示素子6は、アクティブマトリクス基板12と、このアクティブマトリクス基板12に対向配置された対向基板13と、これらのアクティブマトリクス基板12及び対向基板13の間に設けられた液晶層14とを備えている。この液晶層14には、例えば正の誘電率異方性を有する液晶分子が含まれており、液晶層14はアクティブマトリクス基板12と対向基板13との間に封止されている。
また、液晶表示素子6では、その画面サイズが例えば対角2.4インチ(縦:49.0mm、横:36.7mm)であり、液晶表示素子6の最小表示単位である画素(R,G,B)は例えば水平画素数240×垂直画素数320でストライプ配列に配列されている。また、上記画素のピッチは、例えば垂直方向で0.153mm、水平方向で0.051mmにされており、液晶表示素子6では、液晶層14を画素単位に駆動可能に構成されている。
アクティブマトリクス基板12は、例えばガラス材により構成された透明基板12aと、透明基板12aの液晶層14側の表面上に所定間隔をおいて配設された複数の反射電極12b(図1に斜線部で図示)と、透明基板12aの液晶層14側に設けられた透明電極12cとを備えている。また、アクティブマトリクス基板12では、反射電極12bが設けられていない部分、つまり隣接する2つの反射電極12bの間に、透過開口部12dが形成されている。
透明電極12cには、上記液晶分子の配向状態を変化させるために電圧を供給する駆動回路(図示せず)が接続されており、当該駆動回路が透明電極12cを駆動することにより、液晶分子の配向が制御されて、液晶層14を透過する光の強度が制御される。
また、アクティブマトリクス基板12には、図示を省略した複数の薄膜トランジスタがマトリクス状に設けられており、各薄膜トランジスタは、反射電極12b及び透明電極12cの電荷を制御するようになっている。また、透明基板12aのバックライトユニット2側の表面上には、マイクロレンズアレイ5が一体的に設けられている。
マイクロレンズアレイ5は、例えば曲率80μmの複数の球面レンズを含んだものであり、例えば屈折率1.51の透明なアクリル系あるいはエポキシ系樹脂を透明基板12a上に塗布してパターン化することにより、球面レンズは形成されている。具体的には、マイクロレンズアレイ5では、図6に例示するように、球面レンズが略デルタ配列に配置されている。また、これらの球面レンズは、アクティブマトリクス基板12の透過開口部12dに応じて設けられている。具体的には、反射電極12b及び透明電極12cによって規定される透過開口部12dの形状は、例えば直径0.042mmの円形状に構成されており、透過開口部12dとマイクロレンズアレイ5の球面レンズとはその中心位置が互いに一致するように設けられている。
また、マイクロレンズアレイ5では、図6にP1にて示す導光体9での上記伝搬方向Pと平行な方向での球面レンズのピッチは、例えば76.5μmに設定されている。また、図6にP2にて示す伝搬方向Pに直交する方向での球面レンズのピッチは、例えば51μmに定められている。
また、マイクロレンズアレイ5では、透過開口部12d(透明基板12aの液晶層14側の表面)から球面レンズの頂点までの距離が所定寸法(例えば、220μm)となるように、アクティブマトリクス基板12の厚さ及び球面レンズの突出高さが調整されている。
図1に戻って、対向基板13は、透明基板13aと、透明基板13aの液晶層14側の表面上に形成された透明電極13bとを備えている。透明基板13aは、例えば上記透明基板12aと同一のガラス材により構成されており、液晶層14とは反対側の表面上には上記偏光板4が設置されている。
以下、上記のように構成された液晶表示装置1の動作について、図1乃至図5を参照して具体的に説明する。尚、以下の説明では、液晶表示装置1が透過型のものと同様に動作する場合を主に説明する。
まず、バックライトユニット2では、光源8からの光が導光体9の導入面9cを通って内部に入射されると、その入射された光は導入面9cと平行に形成された端面に向かう伝搬方向Pに進行する。そして、図2に示したように、導光体9の内部を進行する光が、所定の全反射角Rより小さな入射角で出射面9aと空気との界面に入射すると、光の一部は前記界面において屈折して導光体9の外側に出射され、光の一部は上記界面において導光体9の内部側に反射される。一方、光が全反射角R以上の入射角で上記界面に入射すると、その光は導光体9の内部側に全反射される。
また、出射面9aから外側に出射された光L1は、図1に示すように、伝搬方向P及び導光体9からプリズムシート10に向かう方向の成分を有しており、同図1の右斜め上方に進行する。そして、この光L1は、プリズムシート10内に入射して、第2のプリズム傾斜面10bにて出射面9aの概ね法線方向に反射される。その後、光L1は、レンズ面10dで屈折されることにより、法線方向に揃えられ、プリズムシート10から液晶表示素子6に対して垂直に出射される。
一方、出射面9aと空気との界面で反射された光は、傾斜面9bに向かって進行して、当該傾斜面9bと空気との界面に到達する。そして、この界面で屈折された光は、傾斜面9bから導光体9の外側に出射される。この傾斜面9bから外側に出射された光L2は、伝搬方向P及び導光体9から反射板11に向かう方向の成分を有しており、図1の右斜め下方に進行する。その後、光L2は反射板11で正反射されると、再び導光体9の内部に入射し、出射面9aからプリズムシート10に出射される。そして、光L2は、光L1と同様に、第2のプリズム傾斜面10bにて反射され、レンズ面10dで屈折されることで法線方向に揃えられ、プリズムシート10から液晶表示素子6に対して垂直に出射される。
また、出射面9aと空気との界面において、入射角が全反射角Rよりも大きく、その光が全反射されたとしても、全反射された後に傾斜角度αの傾斜面9bによって導光体9の内部側に反射されると、当該界面に再び入射する光の入射角は全反射角Rよりも小さくなる。このため、その光の一部は、出射面9aから液晶表示素子6側に出射され、残りの光は、傾斜面9b側に反射されて、導光体9の内部を伝搬方向Pに導かれる。これにより、導光体9では、光源8の光を効率よく利用しつつ、出射面9bからの面状光を均一な輝度とすることができる。
尚、液晶表示装置1が反射型のものと同様に動作する場合には、偏光板4の上方側から入射された外部の光が、反射電極12bにて反射されることによって液晶表示素子6での表示に利用され、バックライトユニット2を点灯動作することなく、文字や画像等の情報の表示動作が行われる。
以上のように構成された本実施形態では、プリズムシート(光路変更部及び集光部)10に、複数の第2のプリズム傾斜面(傾斜面)10bを設けるとともに、第2のプリズム傾斜面10bに応じて、複数のレンズ面(集光面)10dを設けている。また、各レンズ面10dでは、導光体9の伝搬方向Pでの中心位置C2が対応する第2のプリズム傾斜面10bの伝搬方向Pでの中心位置C1に一致させている。これにより、バックライトユニット2では、上記第2の従来例と異なり、第2のプリズム傾斜面10bに大きい角度幅で光が入射されたときでも、各レンズ面10dは出射面9aの法線方向に光を確実に集光し平行光に揃えて、液晶表示素子6側に出射することができる。この結果、バックライトユニット2から出射される出射光の指向性を向上させることができる。
また、上記のように、本実施形態のバックライトユニット2は、高指向性の出射光を液晶表示素子6に出射できるので、半透過型の液晶表示装置1の高輝度化を容易に図ることができる。従って、光源8の光利用効率に優れ、かつ消費電力を抑えることが可能な半透過型の液晶表示装置1を容易に構成することができる。さらに、指向性に優れたバックライトユニット2を使用しているので、反射電極12bを大きくすることが可能となり、液晶表示装置1を反射型のものと同様に動作させた場合での外部光の利用効率を向上させて、高輝度化を図ることができる。
ここで、本願発明の発明者等が実施した検証試験について、具体的に説明する。
この検証試験では、図1に示した本実施形態品と、図7に示す従来相当のバックライトユニット52を備えた液晶表示装置51(以下、比較品と称す。)とを用意して、下記の比較試験を行うことにより、本実施形態品では、出射光の指向性及び輝度が向上されていることを検証した。なお、比較品では、本実施形態のレンズ付きのプリズムシート10に代えて、図10に示したプリズムシート104と同等のプリズムシート53を使用した。すなわち、プリズムシート53には、導光体9の出射面9aに対向する表面側にのみ、第1及び第2のプリズム傾斜面53a、53bと稜線53cを有するプリズムが形成されたものを用いた。そして、本実施形態品及び比較品において、同一の光源8を点灯させたときでの光学特性及び輝度特性を求めた。
すなわち、本実施形態品では、バックライトユニット2から出射される出射光の輝度/a.u.が、図8に実線60にて示すように、同図に点線61にて示した比較品のものに比べて、視野角0°及びその近傍の透過光束がほぼ2倍以上にされ、指向性が向上されていることが実証された。
また、本実施形態品では、液晶表示装置1の表示面上の輝度/ntが、図9に実線70にて示すように、同図に点線71にて示した比較品のものに比べて、視野角0°及びその近傍の透過光束がほぼ1.5倍以上にされ、高輝度化されていることが確かめられた。
また、以下の表1に示すように、本実施形態品では、従来品に比べて、視野角0°±5°の範囲内での輝度の最小値及び透過光束の変動値がそれぞれ1.5倍及び1.3倍に向上されていることが確認された。
Figure 2007020820
以上のように、本実施形態品では、図3にα’にて示した角度幅で光源8の光が出射面9aから第2のプリズム傾斜面10bに入射して、指向性の低い反射光がレンズ面10d側に反射されたときでも、レンズ面10dが上記指向性の低い反射光を出射面9aの法線方向に集光して、バックライトユニット2の出射光の指向性を向上できることが検証された。また、このバックライトユニット2の出射光の指向性の向上に伴い、液晶表示装置1の高輝度化が図られていることも検証された。
[第2の実施形態]
図10(a)は本発明の第2の実施形態にかかるバックライトユニット及び液晶表示装置の要部構成を説明する図であり、図10(b)は図10(a)に示したバックライトユニットの平面図である。図において、本実施形態と上記第1の実施形態との主な相違点は、冷陰極管に代えて、発光ダイオードを光源に用いるとともに、この発光ダイオードを中心とする円弧状に複数の第2のプリズム傾斜面及び複数のレンズ面を設けた点である。なお、上記第1の実施形態と共通する要素については、同じ符号を付して、その重複した説明を省略する。
すなわち、図10(a)及び(b)に示すように、本実施形態では、導光体9に対して、点状光源、例えば発光ダイオードを用いた光源18が対向して配置されており、この光源18からの光は当該光源18を囲むように設けられた反射部材18aを介して導光体9の導入面9cに効率よく入射されて放射状に伝搬されるようになっている。
また、図10(b)に示すように、光源18は、導光体9の導入面9cの中央部に対向配置されている。また、プリズムシート10では、同図10(b)に点線にて示すように、複数の稜線10cが光源18を中心とする円弧状(同心円状)に設けられており、各稜線10cは伝搬方向P、P’と交差、好ましくは直交するように構成されている。つまり、プリズムシート10では、複数の第1及び第2のプリズム傾斜面10a、10bもまた各々光源18を中心とする円弧状に設置されている。さらに、プリズムシート10の偏光板3側では、複数の第1及び第2のプリズム傾斜面10a、10bと同様に、複数のレンズ面10dが光源18を中心とする円弧状に設けられている。そして、複数のレンズ面10dの各頂点部を結んだ、例えば上記伝搬方向PまたはP’において、図5に示したように、同図5の上下方向で対応する第2のプリズム傾斜面10bの中心位置C1とレンズ面10dの中心位置C2とが導光体9の法線方向で互いに合致されている。これにより、プリズムシート10では、第1の実施形態のものと同様に、レンズ面10dでの集光効果が高められている。
また、本実施形態では、導光体9の複数の傾斜面9bは、プリズムシート10の形状に応じて、当該プリズムシート10と同様に、光源18を中心とする円弧状に設けられている。これにより、導光体9では、その内部を放射状に伝搬される光源18からの光をより適切にプリズムシート10側に出射させることができるように構成されている。
また、本実施形態では、プリズムシート10からの出射光(面状光)は、透過軸が伝搬方向P、P’に対して概ね一致するように設けられた偏光板3を介して液晶表示素子6に入射されるようになっており、第1の実施形態と同様に、偏光板3での光吸収(ロス)の発生を極力防いで、液晶表示素子6の表示面の高輝度化をより容易に行えるようになっている。
以上の構成により、本実施形態では、第1の実施形態と同様な作用・効果を奏することができる。また、本実施形態では、複数の第2のプリズム傾斜面(傾斜面)10b及び複数のレンズ面(集光面)10dが各々(点状)光源18を中心とする円弧状に設けられている。これにより、本実施形態では、冷陰極管などの線状光源を用いる場合に比べて、バックライトユニット2のコンパクト化を容易に行うことができる。また、電極部などの非発光領域が両端部に形成されている上記冷陰極管と異なり、導光体9の寸法を不必要に大きくすることなく、光源18ではその有効発光領域を導光体9に容易に対向配置することができることから、線状光源を用いる場合に比べて光源の光利用効率を容易に向上させることができる。
尚、上記の説明では、本発明のバックライトユニットを半透過型液晶表示装置に適用した場合について説明したが、本発明のバックライトユニットはこれに限定されるものではなく、反射電極が液晶表示素子に設けられていない透過型液晶表示装置やマイクロレンズアレイの設置が省略された半透過型液晶表示装置にも適用することができる。
また、上記の説明では、例えば図5にC1及びC2を用いて示したように、導光体の光の伝搬方向において、傾斜面と集光面との中心位置を互いに一致させた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の集光面の上記伝搬方向での各中心位置が、対応する傾斜面の伝搬方向での中心位置と略一致しているものであればよい。
具体的にいえば、本願の発明者による検証試験では、例えば上記傾斜角度α及び頂角θをそれぞれ59°及び62°に設定して、視野角0°±5°の範囲内での透過光束を測定した。そして、中心位置C1と中心位置C2とを伝搬方向に徐々にずらしたときに、上記範囲内での透過光束の測定結果が、図7に示した比較品のものに比べて、1.2倍以上のときに出射光の指向性が向上されていると判断した。その結果、指向性を向上可能な中心位置C1と中心位置C2とのずれ量は、伝搬方向で−6.5μm〜+2.5μmであることが確かめられた。
但し、上記のように、傾斜面と集光面との中心位置を互いに一致させた場合の方が、導光体出射面の法線方向に光をより確実に揃えて出射することが可能となり、出射光の指向性を容易に向上させることができ、高輝度化をさらに容易に図ることができる点で好ましい。
また、上記の説明では、光路変更部及び集光部を一体的に形成したレンズ付きのプリズムシートを用いた場合について説明したが、別体に構成した光路変更部及び集光部を使用することもできる。但し、上記レンズ付きのプリズムシートのように、光路変更部及び集光部を一体化したものを用いる場合の方が、バックライトユニット内への組込作業及び当該バックライトユニットの組立作業を容易に簡単化することができる点で好ましい。また、光路変更部の傾斜面と集光部の対応する集光面との各中心位置を互いに一致させる位置調整作業を実施することなく、バックライトユニット内への取付作業を容易に行える点でも好ましい。
また、上記の説明以外に、プリズムシートに代えて、例えば屈折率が互いに異なる2つの光学部材の接合面を上記光路変更部の傾斜面として用いることもできる。但し、上記のように、複数のプリズムの各一面を上記傾斜面に用いたプリズムシートを使用する場合の方が、取扱性に優れた光路変更部を容易に製造することができ、バックライトユニット内への組込作業を簡単化できる点で好ましい。また、断面二等辺三角形状のプリズムを用いた場合について説明したが、プリズムの形状はこれに何等限定されるものではなく、例えば断面直角三角形状のものも使用することができる。
また、上記の説明では、断面半円状のレンズ面により、集光部の各集光面を構成した場合について説明したが、本発明の集光部は上記光路変更部の傾斜面毎に、集光面が設けられ、かつ一対の傾斜面及び集光面において、導光体内の上記伝搬方向での中心位置が互いに略一致しているものであればよい。例えば凸状の集光面や集光プリズムのプリズム面などの他の形状・構成のものも使用することができる。但し、断面半円状のレンズ面を集光面に用いる場合の方が、集光部の構成を簡略化することができる点で好ましい。また、外部への光の出射部分が断面円弧状に構成されるので、上記傾斜面からの光を導光体出射面の法線方向に沿って進行させ易くなり、光源からの光の利用効率が低下するのを防ぎつつ、出射光の指向性を容易に向上可能な点でも好ましい。
また、上記の説明では、導光体の出射面に対向する表面に傾斜角度αの傾斜部を複数設けた傾斜面を用いた場合について説明したが、本発明の導光体はこれに限定されるものではなく、一定の傾斜角度αで傾斜された傾斜面を有する断面楔状の導光体や出射面に平行な平行面を有する断面矩形状の導光体を用いることもできる。但し、傾斜角度αの傾斜部を複数設けた傾斜面を使用する場合の方が、出射面での光の出射効率を向上でき、かつ均一な面状光を容易に得ることができる点で好ましい。
また、上記第1及び第2の実施形態の説明では、光源に冷陰極管及びLED(発光ダイオード)それぞれを用いた場合について説明したが、本発明の光源はこれに限定されるものではなく、熱陰極管、その他の蛍光管等の線状光源、あるいはEL(エレクトロルミネセンス)素子などの点状光源を使用することもできる。
また、上記の説明では、導光体の下方に設置した反射板を使用した場合について説明したが、本発明の反射板はこれに限定されるものではなく、例えば液晶表示素子を収納する液晶表示装置の箱体の内面上に設けられた反射面あるいは前記箱体の内面に光反射率の高い塗料を塗布することによって当該内面を反射板に利用することもできる。
また、上記の説明以外に、例えば液晶表示素子の上方(表示面側)に当該液晶表示素子の視野角を調整するための拡散シート等の光学部材を適宜積層することもできる。
本発明にかかるバックライトユニット及びこれを用いた液晶表示装置は、導光体の出射面の法線方向に光を確実に揃えて出射することができるので、出射光の指向性を向上させることができ、高輝度化を容易に図ることができるバックライトユニット及びこれを用いた液晶表示装置を提供することができる。

Claims (7)

  1. 光源と、
    前記光源の光が導入される導入面と、前記導入面から導入された光を出射する出射面とを有し、前記導入面から導入された光を所定の伝搬方向に導きつつ、前記出射面から光を出射する導光体と、
    前記出射面に対し所定の傾斜角度にて傾けられる複数の傾斜面を有するとともに、前記出射面から出射された光が前記出射面の概ね法線方向に沿って進行するように、前記複数の各傾斜面によって当該光の光路を変更する光路変更部と、
    前記複数の傾斜面毎に設置され、かつ対応する前記傾斜面からの光を前記出射面の法線方向に集光する複数の集光面が設けられた集光部を備え、
    前記複数の集光面の前記伝搬方向での各中心位置が、対応する前記傾斜面の前記伝搬方向での中心位置と略一致していることを特徴とするバックライトユニット。
  2. 前記光源が点状光源を用いて構成されるとともに、
    前記光路変更部に含まれた複数の傾斜面及び前記集光部に含まれた複数の集光面が、前記点状光源を中心とする円弧状に設けられている請求項1に記載のバックライトユニット。
  3. 前記光路変更部は、一面を前記傾斜面に用いたプリズムを複数配設したプリズムシートにより構成されている請求項1または2に記載のバックライトユニット。
  4. 前記複数の各集光面は、外部側に突出した断面半円状のレンズ面によって構成されている請求項1〜3のいずれか1項に記載のバックライトユニット。
  5. 前記光路変更部と前記集光部とが、一体的に形成されている請求項1〜4のいずれか1項に記載のバックライトユニット。
  6. 液晶表示素子を備えた液晶表示装置であって、
    前記液晶表示素子に対して、請求項1〜5のいずれか1項に記載のバックライトユニットからの光を入射させることを特徴とする液晶表示装置。
  7. 前記導光体と前記液晶表示素子との間には、前記導光体の伝搬方向に対して、透過軸が概ね一致するように、偏光板が設置されている請求項6に記載の液晶表示装置。
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